全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (1): 29~43　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0321 29
收稿 2014-10-27　　修定 2014-11-21
资助 北京市农林科学院科技创新能力建设专项(KJCX20140202
和KJCX20140110)、北京市科委重大项目(D131100000113001)
和科技部科技支撑项目(2013BAD02B03)。
* 通讯作者(E-mail: jwm0809@163.com; Tel: 010-62859105)。
果实花青素生物合成分子机制研究进展
王华, 李茂福, 杨媛, 金万梅*
北京市农林科学院林业果树研究所, 北京市落叶果树工程技术研究中心, 农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点
实验室, 北京100093
摘要: 花青素是一种天然的水溶性植物色素, 与果实的品质性状密切相关, 有益于人体健康。花青素的积累是编码花青素
生物合成途径的结构基因协同表达的结果, 而结构基因通常由MYB、bHLH和WD40这3类调节基因控制。现已从果实中分
离了多种花青素合成的结构基因和调节基因。文章重点介绍了调节基因调控果实花青素生物合成的分子机制, 指出在
MYB、bHLH和WD40互作的调控网络方面的研究还有很多空白。最新的研究揭示了果实成熟过程中生物内在因素和外界
环境通过调节基因影响果实花青素生物合成。上述研究为在分子水平上更好的探索果实花青素的生物合成具有重要意义。
关键词: 果实; 花青素生物合成; 结构基因; 调节基因; 环境因子
Recent Advances on the Molecular Mechanisms of Anthocyanin Synthesis in
Fruits
WANG Hua, LI Mao-Fu, YANG Yuan, JIN Wan-Mei*
Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops (North China), Ministry of Agriculture, Beijing En-
gineering Research Center for Deciduous Fruit Trees, Institute of Forestry and Pomology, Beijing Academy of Agriculture and
Forestry Science, Beijing 100093, China
Abstract: Anthocyanins are important natural water-soluble, health-promoting pigments that have much effect on
the quality of fruits. The anthocyanin biosynthetic pathway in fruits is clear. Anthocyanin accumulation depends
on coordinated expression of structural genes encoding anthocyanin biosynthesis. Structural gene expression is
regulated by regulatory genes, including MYB, basic helix-loop-helix (bHLH), and WD40 classes. The structural
genes and the key regulatory genes controlling the pathway have been isolated in many fruits. Here we reviewed
the recent advances in molecular mechanisms of regulatory genes in anthocyanin biosynthesis, including classes,
concentration and functions of anthocyanins, transcriptional regulation of the anthocyanin biosynthesis, microRNAs
regulation, as well as the internal and external influences on anthocyanin biosynthesis in fruits. Especially, we
pointed many gaps remain in the regulatory network of MYB, bHLH and WD40 transcription factors. Further-
more, new discoveries have begun to reveal links between the internal influences (plant hormones, genetics, maturity,
biological clock, etc.), external environmental influences (light, temperature, pH, nutrition, etc.) and the regulatory
genes in anthocyanin biosynthesis during fruit ripening. These reserches favor the anthocyanin biosynthesis of
fruits at the molecular level from the point of view of interaction between the regulatory networks.
Key words: fruit; anthocyanin biosynthesis; structural gene; regulatory gene; environmental factors
色素在植物中广泛存在, 按其基本特性可分
为脂溶性色素和水溶性色素。花青素(anthocyan-
in)是水溶性的植物色素, 是黄酮类代谢途径的分
支产物。在自然条件下游离状态的花青素极少见,
主要以糖苷形式存在, 植物中常见的有天竺葵色
素(pelargonidin)、矢车菊色素(cyanidin)、飞燕草
色素(delphinidin)、芍药色素(peonidin)、牵牛色素
(petudinin)及锦葵色素(malvidin) 6种(图1)。果色
是果实品质的重要指标, 花青素是决定果色的主
要色素, 也是果实成熟的标志。受到生物内在因
素和外界环境(农艺措施、光质和光强、温度、加
工等)的共同影响, 不同果实中花青素种类和含量
不同。就果实中花青素种类而言, 矢车菊色素是
大多数果实的主要花青素, 如红皮苹果和红皮梨
等; 飞燕草色素、锦葵色素、芍药色素、牵牛色
植物生理学报30
素主要存在于深蓝和紫色的果实中, 如蓝莓和紫
葡萄等; 矢车菊色素和天竺葵色素主要存在于亮
红色的果实中, 如草莓、樱桃等(Jaakola 2013)。就
花青素含量而言, 果实花青素含量较高的果树有
花楸果、石榴、红葡萄、越橘、覆盆子、蓝莓、
樱桃等, 含量达到450 mg·(100 g)-1以上(Wu等2006;
Kaspar等2013; Kayesh等2013)。在果实发育过程
中, 其花青素含量随之发生了变化, 且不同品种之
间有差异(Alcalde-Eon等2014)。花青素具有特殊
的营养价值和保健功能, 能够帮助人体抵御某些
癌症、心血管疾病以及一些与机体老化相关的疾
病(Yoshimoto等1999; Wang等2000; Kong等2003)。
此外, 花青素有利于种子和花粉传播, 并且促进植
物对低温、UV胁迫以及病菌攻击的适应(Hichri等
2011)。因此, 果实花青素合成调控机理的相关研
究是目前果树分子生物学研究的前沿课题, 对于
果实花青素含量的提高、种质的创制等有重要科
学意义(Hichri等2011; Petroni和Tonelli 2011; 葛翠
莲等2012; 赵启明等2012; Jaakola 2013; 贾赵东等
2014; 彭玉帅等2014; 刘晓芬等2013)。本文重点对
果实花青素生物合成的调控基因及影响因素进行
综述, 详述了果实发育过程中植物激素和环境因
图1 花色素苷的化学结构及其含量丰富的果实
Fig.1 Chemical structures of the most common anthocyanidin aglycons and anthocyanin-rich fruits
参考Jaakola (2013)文献修改。A: 天竺葵色素R1=R2=H, 矢车菊色素R1=OH、R2=H,飞燕草色素R1=R2=OH, 芍药色素R1=OCH3、R2=H,
牵牛色素R1=OCH3、R2=OH, 锦葵色素R1=R2=OCH3; B: 樱桃; C: 草莓; D、E: 葡萄。
王华等: 果实花青素生物合成分子机制研究进展 31
素对调节基因的作用, 为进一步理解果实花青素
生物合成以及分子改良提供借鉴。
1 花青素合成途径
植物花青素分布在特定的器官或组织中, 如
植物的叶片、花、果实、种子等, 其含量受内在
因子如生物钟和外界因子如光照、紫外光、温度
和外源激素等影响(Procissi等1997; Harmer等2000;
Piazza等2002)。在分子水平上, 影响花色素苷代谢
的基因分为结构基因和调节基因。结构基因就是
直接编码花色素苷生物合成酶类, 调节基因控制
结构基因表达的强度和作用方式(包满珠1997)。
花青素的代谢途径研究较为成熟 , 如图2所示
(Springob等2003; Hichri等2011; Petroni和Tonelli
2011)。苯丙氨酸是花色素苷及其他类黄酮生物合成
的直接前体, 首先由苯丙氨酸裂解酶(phenylalanine
ammonia-lyase, PAL)催化苯丙氨酸形成肉桂酸, 再
经肉桂酸羟化酶(cinnamic acid 4-hydroxylase, C4H)
和4-香豆酰-辅酶A连接酶(4-coumarate CoA ligase,
4CL)的催化形成香豆酰辅酶A, 香豆酰辅酶A和
丙二酰辅酶A在查尔酮合成酶(chalcone synthase,
CHS)催化下产生四羟基查尔酮, 然后在查尔酮异
构酶(chalcone isomerase, CHI)、黄烷酮-3-羟化酶
(flavanone 3-hydroxylase, F3H)的催化下产生二氢
黄酮醇; 二氢黄酮醇在类黄酮-3-羟化酶(flavonoid
3-hydroxylase, F3H)和类黄酮3,5-羟化酶(flavonoid
35-hydroxylase, F35H)催化下生成双氢槲皮素
和二氢杨梅黄酮 , 它们在二羟黄酮醇-4-还原酶
(dihydroflavonol-4-reductase, DFR)的催化下生成无
色花青素, 经花色素合成酶(anthocyanidinsynthase,
ANS)合成有色的花色素, 最后在类黄酮-3-O-葡糖
图2 花青素生物合成途径
Fig.2 Biosynthetic pathway of anthocyanin
参考Springob等(2003)、Hichri等(2011)、Petroni和Tonelli (2011)文献修改。
植物生理学报32
基转移酶(UDP glucose-flavonoid 3-O-glcosyl-trans-
ferase, UFGT)作用下将不稳定的花青素转变成蓝
紫色、砖红色或紫红色的花色素苷。
在果实发育过程中, 随着果实颜色的加深, 花
青素的积累也随之增加。在果实花青素生物合成
途径上游表达的关键酶基因包括PAL、CHS、CHI
和F3H, 这些酶基因同时也是黄酮醇类物质产生的
上游基因, 其表达与果实发育进程相关(Kumar和
Ellis 2001; Muir等2001; Honda等2002; Lo Piero等
2005)。在果实花青素生物合成途径下游表达的关
键酶基因包括DFR、ANS和UFGT基因, 一般情况
下果实呈现出鲜艳的颜色时, 发现这些酶基因高
效表达(Kobayashi等2001; Honda等2002; Lo Piero
等2005; 程建徽等2009; Wang等2010; Montefiori等
2011; Han等2012; 王廿等2012)。但在荔枝果皮中
DFR基因与其花青苷合成无密切关系(王惠聪等
2004)。从分子角度而言, 果实中花青素的积累是
其生物合成的各类关键酶高效表达的结果, 而这
些关键酶的表达与调节基因的作用密切相关。
2 调节基因对果实花青素合成的作用机制
花青素合成结构基因的表达主要受特定调节
因子的作用, 主要的调节因子包括MYB转录因子、
基本的螺旋-环-螺旋转录因子(bHLH)和色氨酸(W)
和天冬氨酸(D) (WD40)重复蛋白(包满珠1997; Spelt
等2000; Koes等2005; Chiu等2010; Hichri等2011;
Schaart等2013)。MYB转录因子调控花青素合成
的上游结构基因的表达, WD40/bHLH/MYB复合
体调控花青素合成的下游结构基因的表达(Petroni
和Tonelli 2011; 宫硖等2011)。在模式植物拟南芥
中, MYB转录因子TT2、PAP1/PAP2、MYB75、
MYB90、MYB113和MYB114, bHLH转录因子TT8、
GL3和EGL3与WD40重复蛋白TTG1形成WD40/
bHLH/MYB复合体, 调控DFR、ANS、UFGT等下游
基因的表达, 进而影响花青素的生物合成(Gonzalez
等2008)。最近, 在多种果树上如葡萄和苹果等研究
了转录因子MYB、bHLH、WD40调控花青素生物
合成, 这拓宽了我们对果实花青素合成分子调控机
制的理解。更为重要的是, 基因表达的调控是彼此
联系, 相互制约, 构成复杂的基因表达调控网络。
2.1 MYB转录因子调控果实花青素合成
MYB转录因子含有保守的MYB结构域, 每个
MYB结构域约由52个保守的氨基酸和间隔序列组
成, 这些氨基酸使MYB结构域折叠成螺旋-转角-螺
旋(helix-turn-helix, HTH)结构(Dubos等2010)。根
据MYB结构域的个数, MYB转录因子分为四类,
单一MYB结构域(R1/2)蛋白、2个重复MYB结构
域(R2R3)蛋白、3个重复MYB结构域(R1R2R3)蛋
白和4个重复MYB结构域 (4R)蛋白 (Dubos等
2010)。R1/2MYB蛋白的功能多样, AtCPC调控根
毛发育; HbSM1在橡胶树中表达下调; AtLHY和
AtCCA1控制昼夜节律; MYBL2参与类黄酮和油菜
素内酯生物合成; 1RMYB蛋白包括SANT/MYB结
构域, 参与染色质功能的调节(Wada等1997; Ala-
badí等2001; Grüne等2003; Dubos等2008; Ye等
2012; Qin等2014)。R2R3MYB蛋白以N端含有由
两个MYB结构域构成的DNA结合功能域为共同特
征, 在调控植物发育、细胞命运、代谢和对生物
和非生物胁迫反应中发挥着重要作用(Dubos等
2010)。R1R2R3蛋白调节细胞周期和细胞分裂(Ito
2005; Haga等2007)。植物4R蛋白所知甚少。
R2R3MYB通常含有一个[DE]Lx2[RK]x3Lx-
6Lx3R基本结构域, 参与调控花青素合成(Jin和
Martin 1999; Zimmermann等2004; Allan等2008;
Dubos等2010)。在模式植物拟南芥中, 已鉴定125
个R2R3MYB基因, 其中13个与黄酮类代谢有关
(Stracke等2001)。大多数参与果实花青素生物合
成的MYB转录因子促进结构基因表达, 从而导致
果实中大量花青素积累。但是, 少数MYB转录因
子抑制结构基因表达, 会导致花青素积累失常, 表
现在果实的果皮或果肉上花青素无积累或积累很
少, 如草莓FaMYB1和葡萄VvMYB4 (Aharoni等
2001; Matus等2008)。最近的研究发现, 拟南芥中
调控原花青素合成的MYB转录因子TT2和调控花
青素合成的MYB转录因子PAP4 (AtMYB114), 通过
交换单个氨基酸, R2域Gly/Arg39连同R3结构域的
4个氨基酸发生交换, 实现原花青素合成向花青素
合成转换, 葡萄转录因子VvMYBPA2和VvMYBA2也
发现了同样的规律, 上述研究结果为我们提供了
一种理解该问题的视角, 即从进化上来说不同的
黄酮类调节因子来自同一个祖先基因(Heppel等
2013)。已在很多果树中鉴定了MYB转录因子, 研
究最为深入的是葡萄、苹果和草莓(表1)。
王华等: 果实花青素生物合成分子机制研究进展 33
表1 果树中已经分离和鉴定参与调控花青素物合成途径的bHLH、MYB和WD40蛋白
Table 1 bHLH, MYB, and WD40 proteins involved in the regulation of the anthocyanin biosynthetic pathway
identified in major fruit species
种类 植物 基因名称 GenBank登录号 参考文献
MYB 葡萄(Vitis vinifera) VvMYBA1 AB097923 Kobayashi等2004
Walker等2007
VvMYBA2 AB097924 Kobayashi等2004
Walker等2007
VvMYBA3 AB097925 Kobayashi等2004
VvMYBA1a AB111100 Kobayashi等2004
VvMYBA1b AB111101 Kobayashi等2004
VvMYBA1c AB242302 Yakushiji等2006
VvMYBA1SUB DQ345539 Lijavetzky等2006
VvMYBPA1 AM259485 Bogs等2007
VvMYBPA2 EU919682 Terrier等2009
VvMYB5a AY555190 Deluc等2006
VvMYB5b AAX51291 Deluc等2008
VvMYB4 EF113078 Matus等2008
VlMYBA1-1 AB073010 Kobayashi等2002
VlMYBA1-2 AB073012 Kobayashi等2002
VlMYBA2 AB073013 Kobayashi等2002
VlMYBB1-1 AB073016 Kobayashi等2002
VlMYBB1-2 AB073017 Kobayashi等2002
VlMYBC AB073014 Kobayashi等2002
VlMYBD AB073015 Kobayashi等2002
VlMYBA1-3 AB427165 Azuma等2008
VvMYBA2r DQ886419 Walker等2007
VvMYBA2w DQ886420 Walker等2007
苹果(Malus domestica) MdMYB1 DQ886414 Takos等2006
MdMYBA AB279598 Ban等2007
MdMYB10 EU153571 Espley等2007
MYB110a EB710109 Chagné等2013
草莓(Fragaria ananassa) FaMYB1 AAK84064 Aharoni等2001
FaMYB10 EU155162 Lin-Wang等2010
智利白草莓(Fragaria chiloensis) FcMYB1 GQ867222 Salvatierra等2013
野生草莓(Fragaria vesca) FvMYB10 EU155163 Lin-Wang等2010
树莓(Rubus idaeus) RiMYB10 EU155165 Lin-Wang等2010
梨(Pyrus communis) PcMYB10 EU153575 Lin-Wang等2010
沙子梨(Pyrus pyrifolia) PpyMYB10 EU153576 Lin-Wang等2010
中国梨(Pyrus×bretschneideri) PbMYB10 EU153577 Lin-Wang等2010
西洋李(Prunus insititia) PiMYB10 EU153579 Lin-Wang等2010
欧洲李(Prunus domestica) PdmMYB10 EU153580 Lin-Wang等2010
红叶李(Prunus cerasifera) PcfMYB10 EU153583 Lin-Wang等2010
李子(Prunus salicina) PsMYB10 EU155161 Lin-Wang等2010
山杏(Prunus armeniaca) ParMYB10 EU153578 Lin-Wang等2010
杏(Prunus dulcis) PdMYB10 EU155159 Lin-Wang等2010
酸樱桃(Prunus cerasus) PcrMYB10 EU153582 Lin-Wang等2010
桃(Prunus persica) PprMYB10 EU155160 Lin-Wang等2010
枇杷(Eriobotrya japonica) EjMYB10 EU153572 Lin-Wang等2010
木瓜(Cydonia oblonga) CoMYB10 EU153571 Lin-Wang等2010
番茄(Solanum lycopersicum) ANT1 AY348870 Lin-Wang等2010
甘薯(Ipomoea batatas) IbMYB1 AB258985 Lin-Wang等2010
植物生理学报34
表1 (续)
种类 植物 基因名称 GenBank登录号 参考文献
山竹(Garcinia mangostana) GmMYB10 FJ197137 Palapol等2009
梨(Pyrus pyrifolia) PyMYB10 GU253310 Feng等2010;
Qian等2014
中国杨梅(Myrica rubra) MrMYB1 GQ340767 Niu等2010
甜橙(Citrus sinensis) Ruby JN402329 Butelli等2012
甜樱桃(Prunus avium) PacMYBA KF974774 Shen等2014
bHLH 葡萄(Vitis vinifera) VvMYC1 EU447172 Hichri等2010
VvMYCA1 ABM92332 Matus等2010
苹果(Malus domestica) MdbHLH3 CN934367 Espley等2007
MdbHLH33 DQ266451
草莓(Fragaria ananassa) FabHLH3 JQ989284 Schaart等2013
FabHLH3Δ JQ989285
FabHLH33 JQ989286
WD40 葡萄(Vitis vinifera) VvWDR1 ABF66625 Matus等2010
VvWDR2 ABF66626
苹果(Malus domestica) MdTTG1 AF220203 Brueggemann等2010;
An等2012
石榴(Punica granatum) PgWD40 AF485783 Ben-Simhon等2011

对于葡萄而言, VvMYBA转录因子家族基因多
态性是栽培葡萄果实花青素含量变异的主要原因,
如红葡萄果实花青素含量高, 白葡萄果实中花青
素含量低甚至没有(Fournier-Level等2010)。研究
发现2个MYB基因(VvMYBA1和VvMYBA2)控制着
红葡萄花青素合成的UFGT基因表达(Cutanda-Pe-
rez等2009)。而这些调节基因在白葡萄果实中处
于失活状态 , 研究发现这类基因发生了突变 ,
VvMYBA1基因插入反转录转座子, VvMYBA2非保
守编码区序列发生替换(Kobayashi等2004; Walker
等2007)。大多数MYB转录因子功能特异性很高,
主要调控类黄酮途径的一个分枝。例如, 葡萄毛
状根中VvMYBA1和VvMYBA2仅诱导与花青素生物
合成和运输相关的基因表达(Cutanda-Perez等
2009)。又如, VvMYBPA1和VvMYBPA2的表达激活
原花青素途径中花青素还原酶基因(ANR)和无色
花色素还原酶基因(LAR)的表达, 从而影响花青素
生物合成(Bogs等2007; Terrier等2009)。同样,
VvMYB5a基因能影响苯丙氨酸合成途径中结构基
因的表达, 进而改变花青素、黄酮、单宁和木质
素的代谢; VvMYB5b基因参与调节黄酮类化合物
的合成, 能激活类黄酮合成途径中结构基因的启
动子, 提高花青素和原花青素衍生物的含量(Deluc
等2006, 2008)
对于苹果(Malus domestica)而言, MYB基因是
栽培品种果实颜色差异的主要决定因素。不同的
研究小组克隆到与苹果颜色密切相关的MYB基因
主要是MdMYB1、MdMYBA和MdMYB10, 三者核
苷酸具有98%的相似性, 其中MdMYB1和MdMYBA
翻译相同的蛋白质, 而与MdMYB10有3个氨基酸的
差异, MdMYB1、MdMYBA和MdMYB10可能是相
同位点的等位基因 (Ban等2007; Lin-Wang等
2010)。Takos等(2006)从红色苹果‘Cripps’中分离
了MdMYB1, 发现成熟果实中其转录水平与红色果
皮花青素合成相关, 而且MdMYB1转录水平在红皮
品种中比非红皮品种中高。Ban等(2007)从淡红色
苹果‘Tsugaru’果皮中分离了MdMYBA基因, 并采用
深红色苹果品种进行了表达分析, 结果发现Md-
MYBA基因表达调控具有很高的组织特异性和品
种特异性, MdMYBA基因在深红色品种中比淡红色
品种中表达高。E s p l e y等 ( 2 0 0 7 )从白肉品种
‘Sciros’和红肉品种‘Red Field’中分别取果皮和果
肉进行研究, 发现在果实发育过程中, MdMYB10表
达与花青素含量强烈相关。有趣的是 , 在苹果
DNA水平上发现红肉果实的MdMYB10基因重排
了23 bp的串联重复序列, 而在非红肉果实中, 这23
bp串联重复序列未重排(Espley等2009)。然而,
MdMYB10基因重排了23 bp的串联重复序列不能
王华等: 果实花青素生物合成分子机制研究进展 35
解释所有花青素相关表型。Chagné等(2013)采用遗
传学和基因组学相结合的方法对红肉苹果栽培品
种‘Sangrado’进行研究, 确定了苹果MYB110a基因
是一个古老加倍的基因, 对红色果肉表型起关键作
用; 并证实红肉表型与MYB110a表达密切相关; 将
该基因转入烟草中, 发现MYB110a上调可以促进烟
草花青素生物合成; MYB110a染色体位置与苹果亚
科中苹果进化中发生的全基因组加倍事件一致。
在草莓(Fragaria×ananassa)中, MYB转录因
子调控果实花青素的机制不同于其他果树, MYB1
抑制花青素的合成, 而MYB10则促进花青素的积
累, MYB10的相对转录水平在果实成熟组织中大量
增加, 这可能与草莓具有明显的两阶段类黄酮生
物合成有关, 未成熟果实中积累高水平的原花色
素, 而与颜色有关的花青素主要是在成熟的果实
中产生(Schaart等2013; Fischer等2014)。草莓的
FaMYB1抑制花青素的合成, 可能与其C端具有一
段保守序列有关, 此段序列可能与激活子竞争结
合靶基因 , 从而抑制成熟期果实中花青素合成
(Aharoni等2001)。野生草莓(F. vesca)的FvMYB1在
果实发育各阶段的相对表达量变化很小, 这可能
与其果实颜色变化的特征有关, 其果色变化较早,
仅发生在表皮(Lin-Wang等2010)。从智利白果草
莓(F. chiloensis)克隆的FcMYB1, 是FaMYB1的同源
基因, 该基因在白果草莓表达量明显高于其在红
果草莓‘Camarosa’中的表达量; 采用RNA沉默的方
法下调了白果草莓中FcMYB1的转录水平, 实时定
量PCR的结果表明ANS上调, 而ANR和LAR则受到
抑制, 同时, 果实中花青素的含量增加和几乎检测
不到黄烷-3-醇含量, 说明该转录因子在果实花青
素和原花青素合成途径中起到平衡的作用(Salvat-
ierra等2013)。从二倍体野生草莓克隆FvMYB10基
因和从八倍体栽培草莓克隆FaMYB10基因, 在两
者果实成熟组织中, MYB10基因的相对转录水平均
大量增加, 在八倍体栽培草莓中从蕾期到成熟期
增加几乎是40 000倍; 从花期到成熟期, FaMYB10
的增加幅度比FvMYB1几乎多10倍以上, 实验结果
表明FaMYB10基因与草莓果实花青素的积累密切
相关(Lin-Wang等2010)。
此外, 相关研究在其他果实如梨(Pyrus pyrifolia)、
樱桃(Prunus avium)、山竹(Garcinia mangostana)、
杨梅(Myrica rubra)、甜橙(Citrus sinensis)等上也
有报道(Palapol等2009; Feng等2010; Niu等2010;
Butelli等2012; Qian等2014; Shen等2014)。
上述研究表明, R2R3MYB转录因子在调节花
青素生物合成中起关键作用, 它们通过调节花青
素合成路径中的结构基因的表达从而影响果实花
青素的积累。
2.2 bHLH转录因子调控果实花青素合成
人们较多地关注MYB转录因子, 而较为忽略
bHLH转录因子。bHLH转录因子是调节果实花青
素生物合成的另一类调节基因 , 能够独立地与
DNA结合, 也可以与MYB结合成二聚体再与DNA
结合。人们对植物bHLH转录因子所知甚少, 在拟
南芥中已确定133个bHLH转录因子, 其中至少113
个是有表达的, 但并没有确定哪些与花青素合成
相关(Heim等2003)。目前, 分离并鉴定的调控果实
花青素合成途径的 b H L H转录因子包括葡萄
VvMYC1 (Hichri等2010; Matus等2010)、苹果Md-
bHLH3和MdbHLH33 (Espley等2007; Xie等2012)和
草莓FabHLH3 (Schaart等2013) (表1)。
当bHLH与MYB共表达时, 可激活花青素生
物合成的结构基因(Palapol等2009; Lin-Wang等
2010; Niu等2010)。在模式植物拟南芥中, bHLH转
录因子TT8、GL3、EGL3和MYB转录因子PAP1、
PAP2、MYB113、MYB114相互作用调控花青素
合成; 在结构上两者互作的机制为MYB转录因子
的一个特征域(D/E)Lx2(R/K)x3Lx6Lx3R与bHLH
蛋白的N端特异性结合, 该特征域位于R3重复区
域, 任何一个氨基酸的点突变都可以削弱与bHLH
转录因子的相互作用, 14个R2R3MYB蛋白和6个
1RMYB蛋白都存在该特征域(Zimmermann等
2004)。在葡萄中, bHLH转录因子(VvMYC1)与所
有MYB转录因子(VvMYB5a/5b、VvMYBA1/A2和
VvMYBPA1)互作, 诱导和启动花青素或原花青素
合成(Hichri等2010)。在苹果中, MYB转录因子
(MdMYB10)高效诱导花青素生物合成依赖于两个
bHLH蛋白(MdbHLH3和MdbHLH33)共表达(Espley
等2007)。在转基因研究中, 将果实专一性启动子
驱动的MYB转录因子(ros1)和bHLH转录因子(del)
基因转入番茄中, 可激活花青素合成途径中的上
游结构基因(PAL和CHI), 从而获得富含花青素的
紫色番茄(Solanum lycopersicum cv. ‘MicroTom’)
(Butelli等2008)。转ros1和del基因草莓的根和叶的
植物生理学报36
颜色变成红紫色; 实时RT-PCR分析表明, 在转基因
草莓中花青素合成的关键结构基因在转基因株系
中的表达均上调, CHI上调幅度最大(金万梅和王华
2014)。由此可见, MYB和bHLH转录因子彼此关联,
对花青素合成产生联合作用。
bHLH转录因子能调控葡萄花青素和原花青
素的生物合成(Hichri等2010)。在拟南芥的角果和
幼苗中, 以及圆叶牵牛的花和种皮中也发现bHLH
转录因子有类似的功能(Nesi等2000; Park等2007)。
此外, bHLH转录因子不但调节花青素的生物合成,
还在植物的生长发育方面发挥着作用, 比如参与
表皮毛和根毛的形成等(Lloyd等1992; Heim等
2003; Park等2007)。上述研究表明, bHLH转录因
子可能参与多种生理过程, 重要的是在果实发育过
程中, bHLH转录因子调节花青素的生物合成。
2.3 WD40重复蛋白调控果实花青素合成
调控花青素生物合成的另一类转录因子是
WD40, 其一般含有4~16个串联重复的色氨酸(W)
和天冬氨酸(D)构成的WD基元, 每个WD基元由总
长约40个以色氨酸(W)和天冬氨酸(D)结尾的氨基
酸序列组成。WD40蛋白可与多种蛋白质相互作
用, 其作用可能是连接MYB与bHLH的中间介质,
三者形成复合物; WD40蛋白可能是一个对接平台,
可将该复合物从细胞质运往细胞核(Van Nocker和
Ludwig 2003; Hichri等2011)。
到目前为止, 仅确定了少数几个参与花青素
合成途径起调控作用的WD40蛋白。果实中确定
的参与花青素合成途径调控的WD40蛋白更少, 仅
在葡萄、苹果和石榴(Punica granatum)中确定了
这种蛋白(表1)。对于葡萄而言 , 其WD40蛋白
(VvWDR1和VvWDR2)和bHLH蛋白(VvMYC1和
VvMYCA1)共表达与葡萄果实花青素积累密切相
关, 与VvMYBA1、UFGT和ANR表达也密切相关
(Matus等2010)。石榴WD40蛋白(PgWD40)的表达
水平与矢车菊色素含量呈正相关, PgWD40转录产
物的稳态水平与结构基因PgDFR、PgLDOX转录
产物强烈相关; PgWD40、PgDFR、PgLDOX表达
与调节基因PgAn1 (bHLH)和PgAn2 (MYB)的表达
相关(Ben-Simhon等2011)。与上述研究不同, 苹果
WD40蛋白MdTTG1提高了果实中花青素的积累,
通过分析该基因在不同器官中的表达模式, 发现
它们与苹果花青素的积累正相关; 酵母双杂交和
互补实验证明MdTTG1仅与bHLH (MdbHLH3和
MdbHLH33)蛋白存在直接相互作用, 而无法与Md-
MYB1发生互作(Brueggemann等2010; An等2012)。
这与拟南芥中三类调控因子之间的互作调控DFR
和BAN基因的表达不同, 这种区别的内在机制有待
进一步研究(Nesi等2000)。
此外, 与bHLH转录因子类似, WD40在调控花
青素合成途径的同时, 也可以调控其他一些生理
过程。例如, 拟南芥的WD40 (TTG1)还具有调节表
皮毛分化的作用(Walker等1999)。
2.4 调节基因在花青素和原花青素合成积累调控
网络中的作用
花青素合成积累是一个复杂的调控网络, 尤
其是在调节基因方面。在模式植物拟南芥中已有
报道(Nesi等2000; Zhang等2003; Gonzalez等2008;
Petroni和Tonelli 2011)。首先, 所有的TTG1与
bHLH和MYB转录因子互作调控次生代谢(花青
素、原花青素和种皮粘液)和表皮细胞命运(表皮
毛和根毛发生)。其次, MYB转录因子和bHLH转
录因子功能有交叉。还有, 调控网络中存在互作
和正负反馈, 如MYBL2抑制MYB和bHLH转录因子
的表达; TT8正调控MYBL2的表达, 进而抵消TT8的
正反馈机制。
调节基因在葡萄果实花青素合成积累的调控
网络如图3所示。葡萄WD40蛋白和bHLH转录因
子共表达与葡萄果实花青素积累密切相关(Matus
等2010)。葡萄bHLH转录因子与MYB转录因子
(VvMYB5a/5b、VvMYBA1/A2和VvMYBPA1)互作,
诱导和启动花青素或原花青素合成 (Hichr i等
2010)。葡萄MYB转录因子调控花青素合成方面
的研究较为深入。首先, VvMYBA1和VvMYBA2决
定葡萄果实的颜色, 而且, VvMYBA1和VvMYBA2两
个基因位点是连锁的, 因此可以把这些基因看作
是单个大的等位基因的一部分, 而这个大的等位
基因可以认为是一个单倍型(haplotype) (Kobayashi
等2004; Walker等2007; Azuma等2011)。VvMYBA1
和VvMYBA2的等位基因VvMYBA1a和VvMYBA2w
没有功能, VvMYBA1b、VvMYBA1c和VvMYBA2r有
功能(Kobayashi等2004; Walker等2007)。例如, 欧
洲和美国葡萄杂交后代的单倍型包括HapA (具有
VvMYBA2w和VvMYBA1a)、HapB (具有VvMY-
BA2w和VvMYBA1b)、HapC-N (具有VvMYBA2r和
王华等: 果实花青素生物合成分子机制研究进展 37
图3 葡萄果实花青素合成的基因调控网络
Fig.3 Gene regulatory network of anthocyanin
biosynthesis in grape
参考Kayesh等(2013)和Azuma等(2011)文献修改。
VvMYBA1c)、HapC-Rs (具有VvMYBA2w和VvMY-
BA1c)、HapE1 (具有VlMYBA1-2和VlMYBA1-3)、
HapE2 (具有VlMYBA2和VlMYBA1-3); HapA没有功
能, 无法合成花青素; 其他单倍型能够合成花青素;
黑皮品种至少含有两个具有功能的单倍型, 红皮
品种仅含有一个具有功能的单倍型(Azuma等2008,
2011)。其次, 欧洲葡萄东方品种群的4个品种中发
现只存在VvMYBA1SUB, 不存在其他的具有功能的
VvMYBA基因(VvMYBA1b或VvMYBA1c)和VlMYBA
基因(VlMYBA1-3或VlMYBA1-2) (Azuma等2008)。
还有, VvMYB5a/5b基因调控花青素和原花青素生
物合成途径中多个结构基因的表达(Deluc等2006,
2008), VvMYBPA1和VvMYBPA2基因调控原花青素
生物合成(Bogs等2007; Terrier等2009)。
总之, 在果实发育过程中, 主要调节花青素生
物合成的是MYB转录因子, 受到研究者的多方关
注。由于果实花青素生物合成分子调节机制很复
杂, 如果要全面准确地揭示其调控机制, 也需要更
多地关注bHLH和WD40转录因子。首先, bHLH转
录因子能够与MYB结合成二聚体再与DNA结合,
激活花青素生物合成途径中各类关键酶基因的表
达; 其次, WD40作用可能是连接MYB与bHLH的
中间介质, 三者形成复合物调节果实花青素的生
物合成, 关于这些方面仍然有许多空白, 因此为了
全面揭示花青素生物合成的分子调控机制, 需要
更多关注MYB、bHLH和WD40作用的调控网络,
只有这样, 才能更好地阐述果实花青素生物合成
的分子作用机制。
3 miRNAs对果实花青素生物合成的调控
微小RNAs (microRNAs, miRNAs)是基因表达
的重要转录后调控因子, 通过介导靶mRNAs的剪
切或抑制其翻译来调控基因的表达, 或者通过切
割自己原始转录产物而合成反式作用小干扰RNAs
(trans-acting short interfering RNAs, ta-siRNA), 参
与调控包括果实花青素生物合成在内的多个发育
或生理过程(Bartel 2004; Floyd和Bowman 2004;
Allen等2005; Solofoharivelo等2014)。
在模式植物拟南芥中发现, AtTAS4-siR81(-)调
控PAP1/MYB75、PAP2/MYB90和MYB113的表达,
进而影响花青素和黄酮的合成(Rajagopalan等2006)。
缺磷导致拟南芥中PAP1/MYB75、MYB90和
MYB113表达上调, 激活花青素生物合成途径的结
构基因; PAP1/MYB75上调, 激活miR828和AtTAS4,
诱导AtTAS4-siR81(-)上调, 从而抑制PAP1/MYB75、
MYB90和MYB113表达, 这种自反馈调节能够在
胁迫条件下使花青素的含量维持在合适的水平
(Hsieh等2009)。与模式植物miRNAs研究相比, 果
树不仅生命周期长, 而且基因组也很庞大, 因此,
miRNAs调控果实花青素生物合成的研究相对滞
后。苹果MdTAS4-siR81(-)调控3个MYB和1个
bHLH转录因子(MdbHLH3)的表达, 影响花青素的
积累; 同时, miR828激活siRNA生物合成, 调控7个
与花青素合成相关的MYBs来加强这种反馈调节,
以确保苹果果实发育过程中颜色的变化(Xia等
2012)。在葡萄中也发现miRNAs对WD40的表达
起调控作用 , 影响花青素的合成(Wang等2011,
2012)。由此可见, miRNAs激活, 依赖MYB转录因
子表达和siRNAs级联的基因调控网络, 调节花青
素相关的主要生理生化反应。因此, miRNAs调控
对果实花青素生物合成, 可提高果实中花青素的
含量、改变果实的颜色。
4 生物内在因素和外界环境对果实花青素生物合
成的影响
果实的颜色是生物内在因素和外界环境共同
决定, 多种信号刺激, 转导, 作用到转录因子, 转录
因子控制结构基因的表达, 最终实现果实花青素
含量的变化, 其调控是复杂的调控网络(图4)。
植物生理学报38
图4 果实花青素合成的调控网络
Fig.4 Regulatory network of anthocyanin biosynthesis in fruites
生物内在因素如植物激素等能够影响调节基
因从而改变果实花青素的生物合成。ABA和乙烯
是与果实成熟最相关的植物激素, 对果实花青素
的生物合成有重要影响。研究发现在拟南芥中,
乙烯通过下调表达花青素合成正调控转录因子
(GL3、TT8、PAP1), 激活负调控因子MYBL2的表
达, 抑制糖或光诱导的花青素积累(Jeong等2010)。
而外源乙烯激活葡萄花青素合成相关基因的表达
(El-Kereamy等2003)。最近的研究表明, 施加外源
ABA导致葡萄果皮和樱桃中花青素迅速积累; 进
一步分析发现花青素合成途径中调节基因和结构
基因的表达上调(Koyama等2010; Shen等2014)。
另外, 细胞分裂素能提高光和糖诱导的花色素生
物合成, 但是缺乏其在果实成熟相关的花青素生
物合成中作用机制的研究(Das等2012)。
外界环境如温度、光照等也通过影响调节基
因从而改变果实花青素的生物合成。在苹果中,
低温诱导MdbHLH3蛋白磷酸化, 增强其转录活性
和与启动子结合能力, 进而促进花青素合成(Xie等
2012); 高温迅速降低MdMYB10表达水平, 进而减
少果实着色(Lin-Wang等2011)。在收获前一周, 把
苹果‘Fortune’ (红色品种)和‘Mutsu’ (黄绿色品种)
转动180度使其遮光面的果皮完全接受光照, 与转
向的果实相比, 没有转向的果实遮光面果皮Md-
MYB10和结构基因(MdPAL、MdCHS、MdCHI、
MdF3H、MdDFR1、MdLDOX和MdUFGT)表达水
平显著下调, 花青素和黄酮醇含量也较低(Feng等
2013)。在葡萄中, 研究发现低温(15 ℃)加光照处
理条件下观察到葡萄果皮中积累了大量的花青素,
而在高温(35 ℃)或暗培养条件下观察到葡萄果皮
中花青素的积累明显被抑制; 定量RT-PCR分析表
明, MYB转录因子(VlMYBA1-3、VlMYBA1-2和
VlMYBA2)对温度和光照的响应差异很大, 表明温
度和光照通过影响类黄酮生物合成途径中的调节
基因改变果皮中花青素的积累(Azuma等2012)。
上述研究主要集中于光照和温度影响果实花青素
的生物合成, 低温和光照通过激活调节基因的转
录活性和与启动子结合能力促进果实花青素积累,
而高温和黑暗通过下调调节基因的转录活性抑制
果实花青素积累。另外pH、养分等也影响果实花
青素的生物合成(Fang等2013; Soubeyrand等2014)。
其他的环境因子如水分、风速等, 它们如何影响
果实花青素生物合成及其分子调控机制有待进一
步研究。
从调控网络的角度, 揭示不同水平上果实花
青素生物合成调控机制的研究非常少。Jaakola
王华等: 果实花青素生物合成分子机制研究进展 39
(2013)认为花青素的调控网络是从环境因子到生
物的发育调节, 二者一起作用于调节基因, 进一步
控制结构基因, 最终引起原花青素和花青素的积
累。Carbone等(2009)以意大利2个地点的6个草莓
栽培品种的果实为研究对象, 研究了生物内在因
素(如遗传)和外部影响因素(如环境因素)对黄酮类
基因转录、酶的活性和代谢物的影响, 结果表明,
在草莓果实发育过程中, 黄酮类化合物相关的基
因表达和酶活的变化与基因型相关; 基因型显著
影响黄酮类代谢产物; 黄烷-3-醇类、原花青素类
的衍生物和花青素是含量最多的代谢产物; 环境
因素对黄酮醇含量和原花青素含量相关性状(表儿
茶素/儿茶素比和聚合程度)影响明显。Åkerström
等(2010)研究表明欧洲越橘的生长地点和亲本来
源地影响其花青素的积累, 亲本来自北纬或者北
方的欧洲越橘其花青素含量较高; Uleberg等(2012)
研究发现在不同的温度(12和18 ℃)和光周期(12 h
自然光、24 h自然光或24 h自然光加红光)条件下,
欧洲越橘北方型品种花青素含量比南方型品种高,
上述两项研究说明遗传因素对于果实花青素的影
响很强烈, 而且环境因素也会影响果实的花青素
积累。
5 讨论和展望
花青素是一种天然的水溶性植物色素, 具有
特殊的营养价值和保健功能, 并且有利于植物传
播种子和花粉、适应逆境。果实花青素合成分子
调控机理的相关研究是目前果树分子生物学研究
的前沿课题, 在果树育种上有很高的应用价值, 对
于果实花青素含量的提高、种质的创制等具有重
要的科学意义。近年来, 转录因子MYB、bHLH和
WD40对果实花青素生物合成的作用方面的研究
已经取得了一定的进展。在今后的研究中, 需要
更多关注MYB、bHLH和WD40作用的调控网络,
也要重视微小RNAs对调控基因表达的作用。实
际上果实花青素生物合成调控是复杂的调控网络,
生物内在因素和外界环境均可影响花青素的合成,
从分子的角度看, 基因表达的多种信号传递网络
均可指向花青素合成的结构基因, 其中的信号因
子和信号传递的途径还有待于深入研究。
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